(57)【要約】【課題】開口率を低下させることなく、高い検出精度を有する赤外線センサを実現できるようにする。【解決手段】赤外線センサは、行列状に配置された複数の参照画素単位２と、各参照画素単位２と対応して設けられた直列容量素子１４とを備えている。参照画素単位２は、出力線３０と、出力線３０と接地との間にスイッチ素子１７を介して接続された参照容量素子１３と、出力線３０と接地との間にスイッチ素子１６を介して接続された複数の検出容量素子１２とを有している。直列容量素子１４は、出力線３０と接続されている。【選択図】図２
2007114089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが行列状に配置されており、出力線と、該出力線と接地との間にスイッチ素子を介して接続された参照容量素子及び入射した赤外線の強度に応じて容量値が変化する複数の赤外線検出容量素子とを含む複数の参照画素単位と、
それぞれが前記各参照画素単位と対応して設けられ、前記出力線と電源との間に接続された複数の直列容量素子とを備えていることを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】
前記参照容量素子の容量値と、前記直列容量素子の容量値と、赤外線が入射していない場合の前記赤外線検出容量素子の容量値とは等しいことを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
【請求項３】
前記参照画素単位において、前記参照容量素子及び赤外線検出容量素子は１次元状に配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線センサ。
【請求項４】
前記参照画素単位において、前記参照容量素子及び赤外線検出容量素子は２次元状に配列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線センサ。
【請求項５】
前記各直列容量素子は、赤外線が入射する画素エリアの外側部分に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項の記載の赤外線センサ。
【請求項６】
前記各直列容量素子及び各参照容量素子は、赤外線が入射する画素エリアの外側部分に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項の記載の赤外線センサ。
【請求項７】
前記複数の参照容量素子は、前記画素エリアを挟んで両側にそれぞれ設けられた第１の参照容量素子形成領域及び第２の参照容量素子形成領域にそれぞれ形成され、
前記第１の参照容量素子形成領域に形成された参照容量素子と同一の参照画素単位に含まれる前記各赤外線検出容量素子は、前記画素エリアの前記第１の参照容量素子形成領域側に形成されており、
前記第２の参照容量素子形成領域に形成された参照容量素子と同一の参照画素単位に含まれる前記各赤外線検出容量素子は、前記画素エリアの前記第２の参照容量素子形成領域側に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の赤外線センサ。
【請求項８】
前記各直列容量素子は、前記画素エリアの外側部分における前記各直列容量素子と対応する前記参照容量素子と同一の側に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の赤外線センサ。
【請求項９】
前記参照容量素子と前記出力線との間に接続されたスイッチをオン状態として、前記直列容量素子と前記参照容量素子との間に所定の電圧を印加した際の前記出力線の電位を基準電位とし、
所定の前記赤外線検出容量素子と前記出力線との間に接続されたスイッチをオン状態として、前記直列容量素子と前記所定の赤外線検出容量素子との間に所定の電圧を印加した際の前記出力線の電位を検出電位とし、
前記基準電位と前記検出電位との電位差を、前記所定の赤外線検出容量素子に入射した赤外線の強度を示す出力信号として出力することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
【請求項１０】
前記参照容量素子と前記出力線との間に接続されたスイッチをオン状態として、前記直列容量素子と前記参照容量素子との間に所定の電圧を印加した際の前記出力線の電位を基準電位とし、
所定の前記赤外線検出容量素子と前記出力線との間に接続されたスイッチをオン状態として、前記直列容量素子と前記所定の赤外線検出容量素子との間に所定の電圧を印加した際の前記出力線の電位を検出電位とし、
前記基準電位と前記検出電位との電位差を、前記所定の赤外線検出容量素子に入射した赤外線の強度を示す出力信号として出力し、
前記参照容量素子の周囲に配置され、前記参照容量素子と同一の参照画素単位に含まれる前記複数の赤外線検出容量素子の出力信号を用いて、前記参照容量素子が配置された部分に入射した赤外線の強度を算出することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体及び人体から放出される赤外線を検出する赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
人体をはじめとする物体から輻射されている赤外線を検出する赤外線センサは、物体の存在や温度についての情報を非接触で得ることができるため、さまざまな分野において応用が期待されている。特に、複数の赤外線センサをマトリックス状に配置した赤外線センサは、２次元的な赤外線イメージが得られるため、さらに応用範囲の広がりが期待される。このような赤外線センサとしては、冷却やチョッパ回路が不要であることから、電界を印加して誘電率の温度変化を検知する誘電ボロメータが有望である。
【０００３】
図１２は従来の誘電ボロメータ型の赤外線センサの信号読み出し回路を示している。図１２に示すように直列容量素子２０１と赤外線検出容量素子２０２とが接続点２１０を介して直列に接続されている。赤外線検出容量素子２０２は、素子に入射した赤外線の強度に応じて容量が変化する特性を持ち、赤外線が入射していない場合には、赤外線検出容量素子２０２と直列容量素子２０１との容量値は等しくなるように設定されている。
【０００４】
また、直列容量素子２０１及び赤外線検出容量素子２０２にはそれぞれ駆動用の交流電源２０４及び交流電源２０５が接続されており、交流電源２０４と交流電源２０５との振幅は同じであり、位相は反転している。
【０００５】
接続点２１０は、トランジスタ２０３を介して出力端子２０６に接続されており、信号線Ｓswによりトランジスタ２０３をオン状態とすることにより出力端子２０６に接続点２１０の電位を取り出すことができる。
【０００６】
接続点２１０の電位は、直列容量素子２０１及び赤外線検出容量素子２０２の容量値と、交流電源２０４及び交流電源２０５の電圧（振幅）とによって決定される。従って、図１９に示すように、赤外線検出容量素子２０２に赤外線が入射し赤外線検出容量素子２０２の容量値が増加した場合には、図１９のＡに示すような出力曲線が得られる。なお、図１９において曲線Ｃ及び曲線Ｄはそれぞれ交流電源２０４及び交流電源２０５の出力電圧を示す。
【０００７】
赤外線検出容量素子２０２に赤外線が照射されていない場合には、直列容量素子２０１と赤外線検出容量素子２０２との容量値は等しくなり、図１９のＢに示すように接続点２１０の電位は常に０となる。従って、精度よく赤外線を検出することが可能となる（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２００２−３６５１３０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の赤外線センサは、赤外線検出容量素子と直列容量素子とが１個ずつ必要であるため、画素内において赤外線検出容量素子が占める割合である開口率が、直列容量素子がない場合と比べて小さくなるという問題がある。特に、複数の赤外線センサをマトリックス状に配置する場合には、画素の面積の制限が大きく、開口率の低下は大きな問題となる。
【０００９】
また、赤外線が入射していない場合の赤外線検出容量素子の容量値と、直列容量素子の容量値とにばらつきがある場合には、出力にオフセットを生じるため測定精度が低下してしまうという問題がある。オフセットによる測定精度の低下を防ぐためにオフセットを補正する回路を設けると、開口率がさらに低下してしまうという問題がある。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題を解決し、開口率を低下させることなく、高い測定精度を有する赤外線センサを実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するため、本発明は、赤外線センサを複数の赤外線検出容量素子が共通の直列容量素子と参照容量素子とに接続されている構成とする。
【００１２】
具体的に本発明に係る赤外線センサは、それぞれが行列状に配置されており、出力線と、該出力線と接地との間にスイッチ素子を介して接続された参照容量素子及び入射した赤外線の強度に応じた容量値を示す複数の赤外線検出容量素子とを含む複数の参照画素単位と、それぞれが各参照画素単位と対応して設けられ、出力線と電源との間に接続された複数の直列容量素子とを備えていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の赤外線センサによれば、赤外線検出容量素子を含む各参照画素単位と対応して直列容量素子が設けられているため、赤外線検出容量素子に対する直列容量素子の占有面積を小さく抑えることができる。従って、開口率を向上させることができる。また、参照画素単位は、参照容量素子を含むため、参照容量素子を用いることによりオフセットの影響を低減し、測定精度を向上させることが可能である。さらに、複数の赤外線検出容量素子に対して参照容量素子は１つであるため、参照容量素子による開口率の低下も抑えることができる。
【００１４】
本発明の赤外線センサにおいて、参照容量素子の容量値と、直列容量素子の容量値と、赤外線が入射していない場合の赤外線検出容量素子の容量値とは等しいことが好ましい。このような構成とすることによりオフセットの影響を確実に低減できる。
【００１５】
本発明の赤外線センサでは、参照画素単位において、参照容量素子及び赤外線検出容量素子は１次元状に配列されていることが好ましい。
【００１６】
本発明の赤外線センサでは、参照画素単位において、参照容量素子及び赤外線検出容量素子は２次元状に配列されていることが好ましい。
【００１７】
本発明の赤外線センサにおいて、各直列容量素子は、赤外線が入射する画素エリアの外側部分に設けられていることが好ましい。
【００１８】
本発明の赤外線センサにおいて、各直列容量素子及び各参照容量素子は、赤外線が入射する画素エリアの外側部分に設けられていることが好ましい。このような構成とすることにより、直列容量素子及び参照容量素子による開口率の低下を確実に避けることができる。
【００１９】
本発明の赤外線センサにおいて、複数の参照容量素子は、画素エリアを挟んで両側にそれぞれ設けられた第１の参照容量素子形成領域又は第２の参照容量素子形成領域にそれぞれ形成され、第１の参照容量素子形成領域に形成された参照容量素子と同一の参照画素単位に含まれる各赤外線検出容量素子は、画素エリアの第１の参照容量素子形成領域側に形成されており、第２の参照容量素子形成領域に形成された参照容量素子と同一の参照画素単位に含まれる各赤外線検出容量素子は、画素エリアの第２の参照容量素子形成領域側に形成されていることが好ましい。また、この場合において、各直列容量素子は、画素エリアの外側部分における各直列容量素子と対応する参照容量素子と同じ側に形成されていることが好ましい。このような構成とすることにより。直列容量素子及び参照容量素子と赤外線検出容量素子との距離を短くすることができるので、測定精度を向上去ることが可能となる。
【００２０】
本発明の赤外線センサにおいて、参照容量素子と出力線との間に接続されたスイッチをオン状態として、直列容量素子と参照容量素子との間に所定の電圧を印加した際の出力線の電位を基準電位とし、所定の赤外線検出容量素子と出力線との間に接続されたスイッチをオン状態として、直列容量素子と所定の赤外線検出容量素子との間に所定の電圧を印加した際の出力線の電位を検出電位とし、基準電位と検出電位との電位差を、所定の赤外線検出容量素子に入射した赤外線の強度を示す出力信号として出力することが好ましい。このような構成とすることにより、オフセットの影響を低減できるため、測定精度を向上させることが可能となる。
【００２１】
本発明の赤外線センサにおいて、参照容量素子と出力線との間に接続されたスイッチをオン状態として、直列容量素子と参照容量素子との間に所定の電圧を印加した際の出力線の電位を基準電位とし、所定の赤外線検出容量素子と出力線との間に接続されたスイッチをオン状態として、直列容量素子と所定の赤外線検出容量素子との間に所定の電圧を印加した際の出力線の電位を検出電位とし、基準電位と検出電位との電位差を、所定の赤外線検出容量素子に入射した赤外線の強度を示す出力信号として出力し、参照容量素子の周囲に配置され、参照容量素子と同一の参照画素単位に含まれる複数の赤外線検出容量素子の出力信号を用いて、参照容量素子が配置された部分に入射した赤外線の強度を算出することが好ましい。このような構成とすることにより、データの欠落を抑えることができるため、鮮明な赤外画像を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の赤外線センサによれば、開口率を低下させることなく、高い検出精度を有する赤外線センサを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は第１の実施形態に係る赤外線センサのレイアウトを示している。図１に示すように赤外線が入射する画素エリア１には、複数の参照画素単位２が２次元のマトリックス状に配置されている。画素エリア１の外側には、後で述べる直列容量素子及び周辺回路等が設けられている。
【００２４】
各参照画素単位２は、複数の赤外線検出容量素子１２と、１つの参照容量素子１３とを含んでおり、赤外線検出容量素子１２と参照容量素子１３とは合わせて２次元のマトリックス状に配置されている。
【００２５】
図２は本実施形態の赤外線センサにおける１つの参照画素単位２とその周辺回路とを抜き出して、回路構成を示している。図２に示すように参照画素単位２は、１個の参照容量素子１３と８個の赤外線検出容量素子１２とが、３行３列のマトリックス状に配置されている。
【００２６】
本実施形態において、参照容量素子１３はマトリックスの中央である２行２列目に設けられている。参照容量素子１３の一方の端子は接地されており、他方の端子は、トランジスタである参照容量素子制御スイッチ１７を介して、２行目の出力線３０と接続されている。各赤外線検出容量素子１２の一方の端子は接地されており、他方の端子は、トランジスタである赤外線検出容量素子制御スイッチ１６を介して各赤外線検出容量素子１２が設けられている行の出力線３０とそれぞれ接続されている。
【００２７】
各行の出力線３０は、共通に接続され、出力ノード４１が形成されている。また、各行の出力線３０は、直列容量素子制御スイッチ１５を介して共通に接続され、直列容量素子１４の一方の端子と接続されている。各出力線３０にそれぞれ設けられたトランジスタである直列容量制御スイッチ１５は独立して制御可能であり、各直列容量制御スイッチ１５の制御端子は制御線３６Ａ、制御線３６Ｂ及び制御線３６Ｃとそれぞれ接続されている。
【００２８】
直列容量素子１４の容量値と、参照容量素子１３の容量値と、赤外線検出容量素子１２に赤外線が入射していない場合の容量値とは、実質的に等しくなるように設定されている。つまり、各容量値は既知の製造方法により製造した場合の誤差の範囲で等しい。
【００２９】
直列容量素子１４の他方の端子は、電源線３５と接続されている。また、直列容量素子１４と各直列容量素子制御スイッチ１５との間には、バイアス制御スイッチ１８を介してバイアス端子４５が接続されており、所定のバイアス電圧を印加することができる。バイアス制御スイッチ１８は、バイアス制御線３７により駆動される。
【００３０】
参照容量素子制御スイッチ１７の制御端子は、参照容量素子制御線３２と接続されており、各赤外線検出容量素子制御スイッチ１６の制御端子は、列ごとに設けられた赤外線検出容量素子制御線３１とそれぞれ接続されている。
【００３１】
参照容量素子制御線３２は、論理積回路２２の出力端子と接続されており、論理積回路２２の各入力端子は、参照容量素子選択線３３及び論理和回路２１の出力端子とそれぞれ接続されている。論理和回路２１の各入力端子は、３段の垂直シフトレジスタ２０の１段目の出力端子４２、２段目の出力端子４３及び３段目の出力端子４４とそれぞれ接続されている。
【００３２】
各列に設けられた赤外線検出容量素子制御線３１は、列ごとに設けられた論理積回路２３の出力端子とそれぞれ接続されており、各論理積回路２３の入力端子の一方は、赤外線検出容量素子選択線３４と接続され、他方は垂直シフトレジスタ２０の出力端子４２、出力端子４３及び出力端子４４のいずれか１つと接続されている。
【００３３】
以下に、本実施形態の赤外線センサの動作について説明する。図３は図２に示した参照画素単位２及び周辺回路の動作タイミングを示している。
【００３４】
まず、期間Ｔ１の期間ｔ１において垂直シフトレジスタ２０の１段目の出力端子４２の電圧が“Ｈ”レベルとなる。これにより論理和回路２１の入力端子に“Ｈ”レベルの信号が印加されるため論理和回路２１の出力は“Ｈ”レベルとなる。
【００３５】
ｔ１において、参照容量素子選択線３３の電圧も“Ｈ”レベルとなるため、論理積回路２２の出力と接続された参照容量素子制御線３２の電圧は“Ｈ”レベルとなる。これにより参照容量素子制御スイッチ１７が導通状態となり、参照容量素子１３と２行目の出力線３０とが接続されれる。また、制御線３６Ｂの電圧が“Ｈ”レベルとなるから２行目の直列容量素子制御スイッチ１５が導通状態となる。これにより、直列容量素子１４と参照容量素子１３とが接続される。
【００３６】
期間ｔａにおいてバイアス制御線３７に“Ｈ”レベルの電圧が印加されるためバイアス制御スイッチ１８が導通状態となる。これにより、バイアス電圧が直列容量素子１４と参照容量素子１３との接続点に印加される。従って、出力ノード４１にバイアス電圧（Ｖbias）が出力される。
【００３７】
次に期間ｔｂにおいて電源線３５が“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに立ち上がる。これにより直列容量素子１４と参照容量素子１３との中間の電位が出力ノード４１に出力される。直列容量素子１４と参照容量素子１３の容量値は等しいため、出力ノード４１には、電源線３５の電圧の２分の１の電圧にバイアス電位が加算された電位であるＶ1が出力される。このＶ1を基準電位として用いる。
【００３８】
期間Ｔ１の期間ｔ２において参照容量素子選択線３３の電圧が“Ｌ”レベルとなるため論理積回路２２の出力が“Ｌ”レベルとなり参照容量素子制御スイッチ１７が非導通状態となる。代わって、赤外線検出容量素子選択線３４の電圧が“Ｈ”レベルとなるため、論理積回路２３の出力が“Ｈ”レベルとなる。従って、１列目の各赤外線検出容量素子制御スイッチ１６がそれぞれ導通状態となり、１列目に設けられた各赤外線検出容量素子１２と各出力線３０とがそれぞれ接続されれる。また、制御線２６Ａの電圧が“Ｈ”レベルとなるため、１行目の直列容量素子制御スイッチ１５が導通状態となる。これにより直列容量素子１４と１行１列目の赤外線検出容量素子１２とが接続される。
【００３９】
期間ｔａにおいてバイアス制御線３７に“Ｈ”レベルの電圧が印加されるためバイアス制御スイッチ１８が導通状態となる。これにより、バイアス電圧が直列容量素子１４と参照容量素子１３の接続点に印加される。従って、出力ノード４１にバイアス電圧（Ｖbias）が出力される。
【００４０】
次に、期間ｔｂにおいて電源線３５が“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに立ち上がる。これにより直列容量素子１４と参照容量素子１３との中間の電位が出力ノード４１に出力される。赤外線検出容量素子１２の容量値は入射する赤外線の強度によって異なるため、出力ノード４１には、赤外線検出容量素子１２に入射する赤外線の強度に応じて、電源線３５の電圧の２分の１よりも小さい電圧にバイアス電圧が加算された電位であるＶ2が出力される。このＶ2を検出電位とし、基準電位Ｖ1と検出電位Ｖ2との差を求め、これを１行１列目の赤外線検出容量素子１２に入射した赤外線の強度を示す出力信号として出力する。
【００４１】
以下、同様にして期間ｔ３において得られた基準電位Ｖ1と期間ｔ４において得られた検出電位から１行２列目の赤外線検出容量素子１２に入射した赤外線の強度が得られ、期間ｔ５において得られた基準電位Ｖ1と期間ｔ６において得られた検出電位から１行３列目の赤外線検出容量素子１２に入射した赤外線の強度が得られる。同様に期間Ｔ２では２行目の各赤外線検出容量素子に入射した赤外線の強度が得られ、期間Ｔ３では３行目の各赤外線検出容量素子に入射した赤外線の強度が得られる。
【００４２】
本実施形態の赤外線センサは、直列容量素子を８個の赤外線検出容量素子に対して共通に設けている。このため直列容量素子の占有面積を大幅に削減することができる。また、このように直列容量素子を共通とすることにより、直列容量素子を赤外線の入射領域である画素エリアの外に設けることが可能となる。これにより、直列容量素子による開口率の低下の低下をほとんどなくすことができる。
【００４３】
誘電型ボロメータの場合、直列容量素子の容量値と赤外線検出容量素子の容量値との差によって赤外線の強度を検出している。このため、直列容量素子の容量値と赤外線検出容量素子における赤外線が入射していない場合の容量値とを一致させる必要がある。直列容量素子を複数の赤外線検出容量素子に共通とする場合には、各赤外線検出容量素子同士の容量値も一致させる必要がある。しかし、赤外線検出容量素子の製造する際には、膜厚等のばらつきが必ず生じるため、各赤外線検出容量素子の容量値には必ず一定のばらつきが含まれる。このため、単純に直列容量素子を共通とした場合には、赤外線検出容量素子ごとに異なるオフセット電位が発生するので、測定精度が低下してしまう。しかし、本実施形態の赤外線センサにおいては、参照容量素子を設け参照容量素子と直列容量素子とを用いて基準電位を求め、基準電位と検出電位との差を用いて赤外線の強度を検出している。このため、赤外線検出容量素子同士の容量値のばらつきの影響を抑え、精度よく赤外線の強度を検出することができる。
【００４４】
また、本実施形態の赤外線センサは、参照容量素子も８個の赤外線検出容量素子に対して共通に設けている。従って、参照容量素子による開口率の低下も、小さく抑えることができる。
【００４５】
また、以下のようにして参照容量素子が形成されている部分における赤外線の強度を擬似的に求めることも可能である。
【００４６】
図４は１つの３行３列のマトリックスに構成された参照画素単位２のレイアウトを擬似的に示している。この場合に、参照容量素子１３は、３行３列のマトリックスの中心である２行目の２列目に配置されている。８個の赤外線検出容量素子１２によって検出された赤外線の強度をそれぞれａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈとすると、参照容量素子１３の部分における赤外線強度を、例えば隣接する行方向の２個、列方向の２個の４個の赤外線検出素子の平均として（ｂ＋ｄ＋ｅ＋ｇ）／４として求めればよい。
【００４７】
また、隣接する８個の赤外線検出素子１２の平均として（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｆ＋ｇ＋ｈ）／８としてもよく、隣接する赤外線検出素子１２に重み付け平均をして、行方向の２個、列方向の２個の４個の赤外線検出素子１２の係数をα、対角方向の４個の赤外線検出素子１１の係数をβとし、｛α×（ｂ＋ｄ＋ｅ＋ｇ）＋β×（ａ＋ｃ＋ｆ＋ｈ）｝／８として求めてもよい。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態の赤外線センサは、検出精度を低下させることなく、開口率を向上させることができる。
【００４９】
なお、本実施形態において参照画素単位を構成するマトリックスのサイズを３行３列としたが、マトリックスのサイズは任意に変更してかまわない。また、参照容量素子をマトリックスの中央となる２行目の２列目に配置したが、この位置も任意に変更してかまわない。
【００５０】
（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。図５は第２の実施形態に係る赤外線センサのレイアウトを示している。図５に示すように赤外線が入射する画素エリア１には、複数の参照画素単位２が２次元のマトリックス状に配置されている。各参照画素単位２は、複数の赤外線検出容量素子１２と、１つの参照容量素子１３とを含んでいる。赤外線検出容量素子と参照容量素子とは、合わせて１次元の配列を構成している。
【００５１】
図６は本実施形態の赤外線センサの参照画素単位２のうち参照画素単位２Ａ、参照画素単位２Ｂ及び参照画素単位２Ｃとその周辺回路とを抜き出して回路構成を示している。図６に示すように各参照画素単位２は、１個の参照容量素子１３と赤外線検出容量素子１２ａ及び赤外線検出容量素子１２ｂとが、１次元の配列を構成している。
【００５２】
参照画素単位２Ａに含まれる参照容量素子１３の一方の端子は接地されており、他方の端子は、参照容量素子制御スイッチ１７を介して、出力線３０Ａと接続されている。赤外線検出容量素子１２ａ及び赤外線検出容量素子１２ｂの一方の端子はそれぞれ接地されており、他方の端子は、赤外線検出容量素子制御スイッチ１６ａ及び赤外線検出容量素子制御スイッチ１６ｂを介して出力線３０Ａとそれぞれ接続されている。
【００５３】
同様にして参照画素単位２Ｂに含まれる参照容量素子１３と赤外線検出容量素子１２ａ及び赤外線検出容量素子１２ｂとは出力線３０Ｂと接続され、参照画素単位２Ｃに含まれる参照容量素子１３と赤外線検出容量素子１２ａ及び赤外線検出容量素子１２ｂとは出力線３０Ｃと接続されている。
【００５４】
出力線３０Ａ、出力線３０Ｂ及び出力線３０Ｃの一方の端は直列容量素子１４の一方の端子とそれぞれ接続されている。各直列容量素子１４の他方の端子は、電源線３５とそれぞれ接続されている。また、出力線３０Ａ、出力線３０Ｂ及び出力線３０Ｃには、バイアス制御スイッチ１８を介してバイアス端子４５がそれぞれ接続されており、所定の電圧を印加することができる。各バイアス制御スイッチ１８は、バイアス制御線３７により駆動される。
【００５５】
各参照容量素子制御スイッチ１７の制御端子は、参照容量素子制御線３２とそれぞれ接続されている。各赤外線検出容量素子制御スイッチ１６ａの制御端子は、赤外線検出容量素子制御線３１Ａとそれぞれ接続されており、各赤外線検出容量素子制御スイッチ１６ｂの制御端子は、赤外線検出容量素子制御線３１Ｂとそれぞれ接続されて
参照容量素子制御線３２は、論理積回路２２の出力端子と接続されており、論理積回路２２の各入力端子は、参照容量素子選択線３３及び論理和回路２１の出力端子とそれぞれ接続されている。論理和回路２１の各入力端子は、２段の垂直シフトレジスタ２０の１段目の出力端子４２及び２段目の出力端子４３とそれぞれ接続されている。
【００５６】
赤外線検出容量素子制御線３１Ａは、論理積回路２３の出力端子と接続されており、論理積回路２３の入力端子の一方は、赤外線検出容量素子選択線３４と接続され、他方は垂直シフトレジスタ２０の出力端子４２と接続されている。赤外線検出容量素子制御線３１Ｂは、論理積回路２３の出力端子と接続されており、論理積回路２３の入力端子の一方は、赤外線検出容量素子選択線３４と接続され、他方は垂直シフトレジスタ２０の出力端子４３と接続されている。
【００５７】
以下に、本実施形態の赤外線センサの動作について説明する。図７は図２に示した参照画素単位２及び周辺回路の動作タイミングを示している。
【００５８】
まず、期間Ｔ１の期間ｔ１において垂直シフトレジスタ２０の１段目の出力端子４２の電圧を“Ｈ”レベルとする。これにより論理和回路２１の入力端子に“Ｈ”レベルの信号が印加されるため論理和回路２１の出力は“Ｈ”レベルとなる。
【００５９】
ｔ１において、参照容量素子選択線３３の電圧も“Ｈ”レベルとなるため、論理積回路２２の出力と接続された参照容量素子制御線３２の電圧は“Ｈ”レベルとなる。これにより各参照容量素子制御スイッチ１７が導通状態となる。これにより、各直列容量素子１４と各参照容量素子１３とが接続される。
【００６０】
期間ｔａにおいてバイアス制御線３７に“Ｈ”レベルの電圧が印加されるため各バイアス制御スイッチ１８が導通状態となる。これにより、バイアス電圧（Ｖbias）が各直列容量素子１４と各参照容量素子１３との接続点に印加される。従って、出力線３０Ａ、出力線３０Ｂ及び出力線３０Ｃの電圧はいずれもＶbiasとなる。
【００６１】
次に期間ｔｂにおいて電源線３５が“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに立ち上がる。これにより直列容量素子１４と参照容量素子１３との中間の電位が出力ノード４１に出力される。直列容量素子１４と参照容量素子１３の容量値は等しいため、出力線３０Ａ、出力線３０Ｂ及び出力線３０Ｃには、電源線３５の電圧の２分の１の電圧にバイアス電位が加算された電位であるＶ1がそれぞれ出力される。このＶ1を基準電位として用いる。
【００６２】
期間Ｔ１の期間ｔ２において参照容量素子選択線３３の電圧が“Ｌ”レベルとなるため論理積回路２２の出力が“Ｌ”レベルとなり参照容量素子制御スイッチ１７が非導通状態となる。代わって、赤外線検出容量素子選択線３４の電圧が“Ｈ”レベルとなるため、論理積回路２３の出力が“Ｈ”レベルとなる。従って、赤外線検出容量素子制御線３１Ａの電圧が“Ｈ”レベルとなり、各赤外線検出容量素子制御スイッチ１６ａが導通状態となる。これにより各直列容量素子１４と各赤外線検出容量素子１２ａとが接続される。
【００６３】
期間ｔａにおいてバイアス制御線３７に“Ｈ”レベルの電圧が印加されるためバイアス制御スイッチ１８が導通状態となる。これにより、バイアス電圧が直列容量素子１４と参照容量素子１３の接続点に印加される。従って、出力線３０Ａ、出力線３０Ｂ及び出力線３０Ｃの電圧はいずれもＶbiasとなる。
【００６４】
次に、期間ｔｂにおいて電源線３５が“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルに立ち上がる。これにより各直列容量素子１４赤外線検出容量素子１２ａとの中間の電位が出力線３０Ａ、出力線３０Ｂ及び出力線３０Ｃにそれぞれ出力される。赤外線検出容量素子１２ａの容量値は入射する赤外線の強度によって異なるため、出力線３０Ａ、出力線３０Ｂ及び出力線３０Ｃには、赤外線検出容量素子１２ａに入射する赤外線の強度に応じて、電源線３５の電圧の２分の１よりも小さい電圧にバイアス電圧が加算された電位であるＶ2が出力される。このＶ2を検出電位とし、基準電位Ｖ1と検出電位Ｖ2との差を求め、これを赤外線検出容量素子１２ａに入射した赤外線の強度として出力する。
【００６５】
同様にして期間Ｔ２において、赤外線検出容量素子１２ｂに入射した赤外線の強度を検出することができる。
【００６６】
本実施形態の赤外線センサは、参照画素単位内において赤外線検出容量素子と参照容量素子とを１次元に配列している。このため、第１の実施形態の赤外線センサと比べて赤外線検出容量素子の読み出しを高速に行うことができる。
【００６７】
また、本実施形態の赤外線センサにおいても、第１の実施形態の赤外線センサと同様に、参照容量素子が形成されている部分における赤外線の強度を擬似的に求めることも可能である。この場合には、図８に示すように参照容量素子の両側の２個の赤外線検出容量素子の検出値を平均すればよい。また、重み付け平均をしてもよい。
【００６８】
また、本実施形態においては、参照容量素子を２個の赤外線検出容量素子の間に配置する構成としたが、図９に示すように参照容量素子の位置を変更してもかまわない。
【００６９】
なお、本実施形態において、参照画素単位を２個の赤外線検出容量素子と１個の参照容量素子とにより構成したが、参照画素単位に含まれる赤外線検出容量素子の数は任意に増やすことができる。
【００７０】
（第２の実施形態の一変形例）
以下に、本発明の第２の実施形態の一変形例について図面を参照して説明する。図１０は本変形例に係る赤外線センサのレイアウトを示している。図１０に示すように本変形例の赤外線センサは、画素エリア１には画素参照単位２のうちの赤外線検出容量素子１２の部分のみが形成されており、参照容量素子１３は画素エリア１の外側に設けられた参照容量素子形成領域３に形成されている。このようにすることにより、参照容量素子１３により開口率が低下することを防ぐことができる。
【００７１】
このように、参照容量素子１３を画素エリア１の外に設けられた参照容量素子形成領域３に配置することにより、画素エリア１にはすべて赤外線検出素子１２が配置される。従って、画素エリア１の全体について入射する赤外線の強度が得られる。なお、回路構成及び動作については、第２の実施形態の赤外線センサとほぼ同じであるため説明を省略する。
【００７２】
また、図１１に示すように参照容量素子形成領域３を画素エリア１の両側に配置してもよい。このようにすることにより、画素エリア１に設けることができる参照画素単位２の数を増やすことができる。従って、画素エリア１に含まれる赤外線検出容量素子１２の数を減らすことなく、１つの参照画素単位２に含まれる赤外線検出容量素子１２の数を減らすことができる。その結果、読み出し速度を向上させることが可能となる。
【００７３】
また、画素エリア１の一方の側にのみ参照容量素子１３を設けた場合と比べて、赤外線検出容量素子１２と参照容量素子１３との距離を短くすることができるので、検出精度をより向上させることができる。
【００７４】
この場合、直列容量素子１４も参照容量素子１３と同じ側に設けることにより、直列容量素子１４と参照容量素子１３及び検出容量素子１２との距離を短くすることができるので、検出精度をより向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の赤外線センサは、開口率を低下させることなく、高い検出精度を有する赤外線センサを実現でき、物体及び人体から放出される赤外線を検出する赤外線センサ等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサを示すレイアウト図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサの参照画素単位及び周辺回路部分を示す回路図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサの動作を示すタイミング図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る赤外線センサの参照容量素子部分の赤外線強度を算出する方法を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサを示すレイアウト図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサの参照画素単位及び周辺回路部分を示す回路図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサの動作を示すタイミング図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサの参照容量素子部分の赤外線強度を算出する方法を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る赤外線センサの参照画素単位及び周辺回路部分の別の例を示す回路図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態の一変形例に係る赤外線センサを示すレイアウト図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態の一変形例に係る赤外線センサの別の例を示すレイアウト図である。
【図１２】従来例に係る赤外線センサを示す回路図である。
【図１３】従来例に係る赤外線センサの駆動信号を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７７】
１      画素エリア
２      参照画素単位
２Ａ    参照画素単位
２Ｂ    参照画素単位
２Ｃ    参照画素単位
３      参照容量素子形成領域
１２    赤外線検出容量素子
１２ａ  赤外線検出容量素子
１２ｂ  赤外線検出容量素子
１２ｃ  赤外線検出容量素子
１３    参照容量素子
１４    直列容量素子
１５    直列容量素子制御スイッチ
１６    赤外線検出容量素子制御スイッチ
１６ａ  赤外線検出容量素子制御スイッチ
１６ｂ  赤外線容量素子制御スイッチ
１６ｃ  赤外線検出容量素子制御スイッチ
１７    参照容量素子制御スイッチ
１８    バイアス制御スイッチ
２０    垂直シフトレジスタ
２１    論理和回路
２２    論理積回路
２３    論理積回路
３０    出力線
３０Ａ  出力線
３０Ｂ  出力線
３０Ｃ  出力線
３１    赤外線検出容量素子制御線
３１Ａ  赤外線検出容量素子制御線
３１Ｂ  赤外線検出容量素子制御線
３１Ｃ  赤外線検出容量素子制御線
３２    参照容量素子制御線
３３    参照容量素子選択線
３４    赤外線検出容量素子選択線
３５    電源線
３７    バイアス制御線
４１    出力ノード
４２    垂直シフトレジスタ出力
４３    垂直シフトレジスタ出力
４４    垂直シフトレジスタ出力
４５    バイアス端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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